CN100521654C - 一种同步帧在ip网络上传输的方法及用于传输的网络设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步帧在IP上传输的方法及用于传输的网络设备，其中：发送端网络设备将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包，通过IP网络发送到接收端网络设备，所述IP数据包中的数据帧存储有记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；接收端网络设备接收IP数据包，根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，进而决定是否将该数据帧传输出去。此外，通过IP数据包中的类型、序号标识判断接收是否正确，从而决定是否要求发送端重新传输。本发明通过上述方案，可以保证发送端和接收端同步帧的频率相同或者接近，实现数据帧的同步传输；能够减少对原有同步数据帧的封装，更大程度的增加带宽利用率，提高传输效率。

Description

一种同步帧在IP网络上传输的方法及用于传输的网络设备

技术领域

本发明涉及数据传输技术，尤其涉及一种同步帧在网际协议(IP：InternetProtocol)上传输的方法及用于传输传输的网络设备。

背景技术

目前，现有技术中同步帧是基于传输控制协议(TCP：Transfer ControlProtocol)或者用户数据报协议(UDP：User Datagram Protocol)的方式进行传输的。该传输方式的组网结构如图1所示：同步串口装置A和网络设备A通过同步数据电缆相连，网络设备B、C分别和同步串口装置B、C通过同步电缆相连，然后网络设备A、B、C通过IP网络进行连接。

上述传输方式的工作过程具体为：同步串口装置A通过同步电缆发送数据给网络设备A，然后网络设备A再通过TCP或者UDP方式，把数据加上IP首部和TCP首部或者IP首部和UDP首部，然后发送到网络设备B和网络设备C上，网络设备B和网络设备C再把数据还原成同步串口数据发送到对应的同步串口装置B、C上去。

在上述传输过程中，需要保持发送端的报文发送频率和接收端的报文接收频率接近或者相同，即两端需保持同步。传输过程中的同步技术是同步帧在TCP或者UDP中的一个比较重要的技术。

此外，在上述传输过程中，传输效率也是一个很重要的因素。同步帧经过网络设备A后的IP数据报文格式如图2A和2B所示，其中图2A为基于TCP方式的IP数据报文格式，在原有同步数据帧部分添加一个20个字节的IP首部及一个20个字节的TCP首部。而图2B为基于UDP方式的IP数据报文格式，是在原有同步数据帧部分添加一个20个字节的IP首部和8个字节的UDP首部。

显然，现有技术同步帧在TCP或者UDP基础之上进行传输的方式，由于要在原有同步数据帧部分基础上增加TCP首部或者UDP首部，因此会给传输资源紧张的网络增加很大的负担，减少网络传输的效率。此外，由于TCP方式或UDP方式的自身特点，即TCP方式连接请求以及重传数据，会导致装置性能严重下降；而UDP方式进行数据传输会出现丢包现象，影响数据的完整性，给数据的传输带来不可靠因素。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种同步帧在IP网络上传输的方法及同步帧在IP上传输的网络设备，可以保证发送端和接收端同步帧的频率相同或者接近。

此外，本发明还可以减少对原有同步数据帧的封装，能够更大程度的增加带宽利用率，提高传输效率。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种同步帧在IP网络上传输的方法，其中：

发送端的同步串口装置将数据帧传送到与其相连的网络设备，该网络设备将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包，通过IP网络发送到接收端网络设备，所述IP数据包中的数据帧存储有记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；

接收端网络设备接收IP数据包，根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，如果两者相等或差值介于容忍范围内，则继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则等待到两者相等或差值介于容忍范围内，再继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔大于时间戳，则丢弃IP数据包。

所述接收端网络设备根据类型标识和序号标识进行判断，如果正确则将IP数据包拆分为若干个数据帧。

其中，如果所述接收端网络设备没有正确接收到某个序号的IP数据包，则发送反馈报文给发送端网络设备，所述反馈报文的类型标记为重发，序号标记为该序号的IP数据包；发送端网络设备根据收到的反馈报文将缓冲区中该序号的IP数据包重新发送给接收端网络设备；如果所述发送端网络设备无法发送该序号的IP数据包，则发送报文告知接收端网络设备。

所述封装的IP数据包中的若干个数据帧之间通过特殊标识加以区分，数据帧中和所述特殊标识相同的字符进行转义处理；所述拆分的IP数据包按照该特殊标识拆分为若干个数据帧，每个数据帧中经转义过的字符进行还原处理。

此外，本发明还提供一种同步帧在IP上传输的网络设备，包括：

IP数据包处理单元，用于将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包；或用于将从IP网络接收的IP数据包拆分为若干个数据帧；

同步时钟单元，用于在所述数据帧时间戳单元记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；或根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，如果两者相等或差值介于容忍范围内，则继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则等待到两者相等或差值介于容忍范围内，再继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔大于时间戳，则丢弃IP数据包。

所述网络设备根据类型标识和序号标识判断接收的IP数据包是否正确，如果没有正确接收到某个序号的IP数据包，则发送反馈报文给发送端网络设备，所述反馈报文的类型标记为重发，序号标记为该序号的IP数据包；发送端网络设备根据收到的反馈报文将缓冲区中该序号的IP数据包重新发送给接收端网络设备；如果所述发送端网络设备无法发送该序号的IP数据包，则发送报文告知接收端网络设备。

所述IP数据包处理单元封装IP数据包是在若干个数据帧之间增加特殊标识，将数据帧中和所述特殊标识相同的字符作转义处理；所述IP数据包处理单元拆分IP数据包是依照该特殊标识拆分成若干个数据帧，将数据帧中经转义过的字符作还原处理。

本发明通过在现有一点对一点或一点对多点的数据传输模式下，对若干个数据帧打包后，在IP数据包的每个数据帧中存储时间戳，以记录该数据帧和前一个数据帧发送的时间差值。通过判断接收端接收到的数据帧的时间戳与实际发送时的时间戳，来决定是否接收IP数据包。如果接收端接收到的数据帧的时间戳小于实际发送时的时间戳，则接收端等待至到时间戳等于实际发送时的时间戳，再将数据帧发送出去；如果接收端接收到的数据帧的时间戳大于实际发送时的时间戳，则接收端将该IP数据包直接丢弃。通过这种时间戳机制，能较大程度的保障接收数据帧的时间间隔，最大限度的保障语音传送的质量。

此外，本发明通过仅仅在数据包前增加一个IP首部和几个字节的标识，就能够实现同步数据帧在IP上的高速传输。本发明构造的IP数据包由于没有协议头，在传输过程中无需进行协议判断，因此更适合于无协议情况的数据传输。

更具体是通过在IP数据包中设置的类型标识和序号标识，根据该类型标识和序号标识进行判断，接收端决定是丢弃还是接收IP数据包。当接收端没有接收到某个序号的IP数据包，发送端通过接收端发出的反馈报文得知后，将存储在缓存中的对应该序号的IP数据包重新传输；否则发送类型标记为无此序号的IP数据包至接收端网络设备，告知接收端没有对应序号的IP数据包，接收端得知后就无需继续等待。通过这种重传机制，只需要有选择的重传，在较大程度保障了同步数据帧传输的完整性，也提高了传输效率。

此外，通过将若干个数据帧打包成为一个IP数据包，在每个数据帧之间通过特殊标识加以区分，并对数据帧中和所述特殊标识相同的字符进行转义处理；与之对应，在拆分IP数据包时按照该特殊标识进行拆分，并将每个数据帧中经转义过的字符进行还原处理。通过这种数据帧打包机制，能在一定程度上进一步提高传输效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是现有技术传输方式组网示意图；

图2A、B分别是现有TCP数据包和UDP数据包格式示意图；

图3是本发明同步数据帧传输的方法流程图；

图4是本发明实施例同步数据帧传输示意图；

图5是本发明实施例用于同步数据帧传输的装置示意图；

图6是本发明实施例IP数据包形成示意图；

图7A、B是本发明实施例IP数据包格式示意图；

图8A、B是本发明实施例数据帧打包示意图。

具体实施方式

首先，以图1和图6为例来说明本发明的同步技术。当网络设备A从同步串口装置A接收到数据帧后，在该数据帧头部加入时间戳的字节，对接收到的第一个数据帧，其时间戳字节记为T1；对接收到的第二个数据帧，其时间戳记为T2，其中T2为接收第二个数据帧的时间与接收第一个数据帧的时间间隔，对接收到的第三个数据帧，其时间戳字节记为T3，其中T3为接收到的第三个数据的时间与接收到的第二个数据帧的时间间隔。对于后续的数据帧依此方式进行时间戳字节的设置。另外，该时间戳值的计算还可以以网络设备A发送数据帧的时间间隔计算。比方，发送第一个数据帧时，将其时间戳字节设置t1；在发送第二个数据帧时，将其时间戳字节值设置为t2，其中t2为发送第二个数据帧与发送第一个数据帧的时间间隔；发送第三个数据帧时，在其时间戳字节设置为t3，其中t3为发送第三个数据帧与发送第二个数据帧的时间间隔，后续的数据帧依此方式进行时间戳字节的设置。

接收端网络设备B接收到第一个同步数据帧以后，记录一个时间值I1，接收到第二个数据帧以后记录第二个时间值I2，如果I2与I1之间的差值与T2或者t2相等，那么继续后续数据帧的同步。如果I2与I1之间的差值大于T2或者t2，则直接将该数据帧进行丢弃，重新进行下一次数据帧的同步；如果I2与I1之间的差值小于T2或者t2，则等到I2与I1之间的差值与T2或者t2相等时，再将数据帧发送到同步串口设备B，继续后续数据帧的同步。发送数据帧的时间间隔和接收数据帧的时间间隔除了完全相等之外，还可以设置一个容忍值，如果前述两个时间间隔的差值在容忍值范围之内，则继续进行数据帧的发送。这个容忍值以基本不影响同步传输的效果为前提。比如：发送三个数据帧的时间戳分别是，T1为0ms，T2为20ms，T3为40ms，而接收三个数据帧的时间间隔为，I1为0ms，I2为21ms，I3为41ms，而容忍值设为2ms，那么这三个数据帧都可以接收。通过上述同步机制，能较大程度的保障数据发送时间间隔与数据接收时间间隔的一致性。

下面，如图7A所示，详细说明本发明方案中IP数据包的格式。IP数据包共分为五部分，即IP首部、类型标识、序号标识、数据包、及校验和，其中：

IP首部：20个字节；

类型标识：1个字节，

具体分为三种：

类型1：设置为0，表示“发送”，

类型2：设置为1，表示“重发”，

类型3：设置为2，表示“无此序号报文”；

序号标识：4个字节，从0开始递增，增到最大值后恢复到0重新开始；

数据包：为多个数据帧打包而成，每个数据帧之间通过特殊标识加以区分，数据帧中和所述特殊标识相同的字符需要转义处理；而每个数据帧前设置时间戳，是数据帧和前一个数据帧发送的时间间隔，是一个时间差值，单位毫秒(ms)；

校验和：2个字节。

下面，如图3、图4所示，详细说明本发明同步帧在IP上高速传输的方法步骤。

步骤1、发送端的同步串口装置将若干个数据帧传送到与其相连的网络设备；

步骤2、网络设备收到同步串口装置发送过来的数据帧，开始进行封装，首先如果数据帧为多个，还需要将多个数据帧进行打包处理，即在每个数据帧后面加上特殊结束标识，同时把数据帧中和该特殊结束标识相同的字符进行转义处理；然后把第一个要发送的数据帧的时间戳记为0，下一个数据帧的时间戳就是和第一个数据帧发送的时间差值。最后将类型设置为0(发送)；序号在建立连接的第一个IP数据包开始计数，从0开始递增；同时计算校验和。网络设备将封装好的IP数据包通过IP网络发送到接收端的网络设备；

步骤3、接收端网络设备通过IP网络接收从发送端发送过来的IP数据包；

步骤4、接收端网络设备首先去掉IP数据包的IP首部，然后计算校验和，即把校验和部分先置为0后计算异或所得的值。将该计算值与发送时计算的值进行比较，如果不相等，则进入步骤8，否则继续；

步骤5、如果相等，则根据类型标识和序号标识进行下一步的判断：

首先判断类型标识，如果类型为0(发送)，则继续判断序号标识，如果序号不正确，则进入步骤9，否则继续；

步骤6、如果序号正确，则接收端网络设备将IP数据包中的数据包通过特殊结束符号拆分为若干个数据帧，并将发送时作过转义处理的字符进行还原；根据时间戳记录的帧与帧之间的发送间隔，将若干个数据帧发送到相应的网络串口装置；

如果该接收端接收到的数据帧的时间戳小于实际发送时的时间戳时，接收端等待至到时间戳等于实际发送时的时间戳，再将数据帧发送出去；

如果接收端接收到的数据帧的时间戳大于实际发送时的时间戳时，接收端直接丢弃IP数据包；

步骤7、同步串口装置接收来自与其相连的网络设备发送的数据帧。

步骤8、丢掉IP数据包。

步骤9、如果接收端网络设备没有正确接收到某个序号的IP数据包，则发送反馈报文给发送端网络设备。反馈报文的类型标记为1(重发)，序号标记为所需IP数据包的序号；发送端网络设备根据收到的反馈报文中的标记，在缓冲区中查找，如果找到相应的IP数据包，则将其重新发送给接收端网络设备；否则发送类型标记为2(无此序号报文)的报文至接收端网络设备，以告知接收端不用再继续等待。类型2或3的报文格式如图6B所示。

下面，详细说明本发明数据帧打包的过程。多个数据帧打包主要是应用在发送端和接收端的网络设备上，发送方完成数据包的打包过程，接收方完成数据包的分离过程。如图8A所示，记录了五个数据帧的打包的过程，具体描述如下：

在每个数据帧的后面加上特殊结束符号，例如：两个十六进制的0x7e0x7e。当接收端网络设备收到结束符号时，认为一数据帧已经收齐，可以往串口进行发送。当数据帧中出现作为结束符号的字符时，要对该字符进行转义操作，使报文的结束符合比较容易识别，例如：如果使用两个十六进制的0x7e0x7e作为结束符，就要对报文中的0x7e进行转义，在其后加上另外一个字符，从而使得报文中不会连续出现两个0x7e，同时也不会是报文中已有的两个0x7e连在一起，从而避免不容易辨认。

该方式需要成对出现，即发送端进行数据帧的打包操作，接收端对数据包进行分离操作，打包过程和分离过程正好相反，如图8B所示。打包过程把需要转义的字符进行转义，而分离过程需要将已经做过转义的字符再还原，从而完成数据帧从分到合，从合到分的过程，从而实现多个帧的同步传输。

结合图4和图5详细说明本发明实现同步帧在IP上高速传输的系统：

如图5所示，该系统分为三部分，即发送端、IP网络、即接收端，其中：发送端包括同步串口装置和网络设备；接收端包括网络设备和同步串口装置，发送端同步串口装置和接收端同步串口装置之间通过其相应的网络设备连接到IP网络上。

下面以一个发送端，两个接收端为例，具体说明如下：发送端同步串口装置51，将数据帧传送到与其相连的发送端网络设备52；

发送端网络设备52，进一步包括IP数据包处理单元和同步时钟单元，其中：

IP数据包处理单元，用于将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包；封装IP数据包是在若干个数据帧之间增加特殊标识，将数据帧中和所述特殊标识相同的字符作转义处理；

同步时钟单元，用于在所述IP数据包中的数据帧记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；

发送端网络设备52收到同步串口设备51发送过来的数据帧，对数据帧进行封装，首先如果有多个数据帧，需要将多个数据帧进行打包处理，即在每个数据帧后面加上特殊结束标识，同时把数据帧中和该特殊结束标识相同的字符进行转义处理；然后把第一个要发送的数据帧的时间戳记为0，下一个数据帧的时间戳就是和第一个数据帧发送的时间差值。最后将类型设置为0(发送)；序号在建立连接的第一个IP数据包开始计数，从0开始递增；同时计算校验和。发送端网络设备52将封装好的IP数据包通过IP网络发送到接收端的网络设备；

接收端网络设备53、55，进一步包括IP数据包处理单元和同步时钟单元，其中：

IP数据包处理单元，用于将从IP网络接收的IP数据包拆分为若干个数据帧；所述IP数据包处理单元拆分IP数据包是依照该特殊标识拆分成若干个数据帧，将数据帧中经转义过的字符作还原处理。

同步时钟单元，用于根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，如果两者相等或差值介于容忍范围内，则继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则等待到两者相等或差值介于容忍范围内，再继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则丢弃IP数据包。

接收端网络设备53、55接收通过IP网络发送来的IP数据包，首先去掉IP数据包的IP首部，然后计算校验和并进行比较，具体是把校验和部分先置为0后计算异或所得的值。将该计算值与发送时计算的值进行比较，如果无误，再根据类型标识和序号标识进行判断，如果正确则将IP数据包拆分为若干个数据帧后发送到相应的网络串口装置；

接收端同步串口装置54、56，用于接收与其相连的接收端网络设备发送的数据帧。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1、一种同步帧在IP网络上传输的方法，其特征在于：

发送端的同步串口装置将数据帧传送到与其相连的网络设备，该网络设备将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包，通过IP网络发送到接收端网络设备，所述IP数据包中的数据帧存储有记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；

接收端网络设备接收IP数据包，根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，如果两者相等或差值介于容忍范围内，则继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则等待到两者相等或差值介于容忍范围内，再继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔大于时间戳，则丢弃IP数据包。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端网络设备根据类型标识和序号标识进行判断，如果正确则将IP数据包拆分为若干个数据帧。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述接收端网络设备没有正确接收到某个序号的IP数据包，则发送反馈报文给发送端网络设备，所述反馈报文的类型标记为重发，序号标记为该序号的IP数据包；发送端网络设备根据收到的反馈报文将缓冲区中该序号的IP数据包重新发送给接收端网络设备。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述发送端网络设备无法发送该序号的IP数据包，则发送报文告知接收端网络设备。

5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述封装的IP数据包中的若干个数据帧之间通过特殊标识加以区分，数据帧中和所述特殊标识相同的字符进行转义处理；所述拆分的IP数据包按照该特殊标识拆分为若干个数据帧，每个数据帧中经转义过的字符进行还原处理。

6、一种同步帧在IP上传输的网络设备，其特征在于，包括：

IP数据包处理单元，用于将先后接收到的若干个数据帧封装成带有类型标识和序号标识的IP数据包；或用于将从IP网络接收的IP数据包拆分为若干个数据帧；

同步时钟单元，用于在所述数据帧时间戳单元记录相邻数据帧之间发送时间差的时间戳；或根据先后接收到的数据帧的时间间隔与数据帧存储的时间戳进行比较，如果两者相等或差值介于容忍范围内，则继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔小于时间戳，则等待到两者相等或差值介于容忍范围内，再继续进行后续数据帧的同步传输；如果时间间隔大于时间戳，则丢弃IP数据包。

7、如权利要求6所述的网络设备，其特征在于，所述网络设备根据类型标识和序号标识判断接收的IP数据包是否正确，如果没有正确接收到某个序号的IP数据包，则发送反馈报文给发送端网络设备，所述反馈报文的类型标记为重发，序号标记为该序号的IP数据包；发送端网络设备根据收到的反馈报文将缓冲区中该序号的IP数据包重新发送给接收端网络设备；如果所述发送端网络设备无法发送该序号的IP数据包，则发送报文告知接收端网络设备。

8、如权利要求6所述的网络设备，其特征在于，所述IP数据包处理单元封装IP数据包是在若干个数据帧之间增加特殊标识，将数据帧中和所述特殊标识相同的字符作转义处理；所述IP数据包处理单元拆分IP数据包是依照该特殊标识拆分成若干个数据帧，将数据帧中经转义过的字符作还原处理。

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